微生物在生物技术时代捷足先登

杆状细菌电镜示意图 图片来源：百度图片

　　■李惠钰

　　从DNA重组到细菌基因组计划，从微生物代谢工程到酶工业，从微生物肥料到土壤修复。可以说，现代生物技术的高速发展，离不开微生物。

　　“凭借着生长速度快、结构简单、易操作等特点，微生物学成为生物技术的基础学科，微生物也是生物产业中不可替代的基本材料。”在接受《中国科学报》记者采访时，中国微生物学会秘书长肖昌松多次强调。

　　微生物学潮涌

　　人才，是近些年来我国微生物学发展的重要支撑。

　　据悉，目前我国单是从事微生物学的研究人员就超过了5万名，微生物及微生物相关的国家重点实验室有19个，国家自然科学基金委员会支持的与微生物直接相关的创新团队有2个。

　　肖昌松表示，近几年，我国微生物学的研究主要以应用基础为主，围绕有应用前景和社会需求相关的领域，进行微生物菌种改造、高产工程菌构建及发酵条件优化等研究工作。

　　除了基础性研究，微生物学应用研究的涉及面也在不断拓展，微生物技术广泛应用于生物制药、微生物肥料、生物质能源、环境友好的生物质材料、污染物的微生物降解等各个方面。

　　例如，作为基因工程的外源DNA载体，都是来源于微生物本身和微生物细胞中的质粒，基因操作中被用作切割与缝合基因的数千种工具酶，也都绝大部分来自不同的微生物。

　　不仅如此，自遗传工程开创以来，昔日由动物才能产生的胰岛素、干扰素和白细胞介素等昂贵药物纷纷转向由“微生物工程菌”来生产，与人类生殖、避孕等密切相关的激素类药物也早已从化工生产方式转向微生物生物转化的生产方式。

　　另外，曾经那些会造成环境恶化的各种化学肥料和化学农药，也逐渐被微生物肥料、微生物杀虫剂或农用抗生素所取代。

　　更加值得一提的是，随着新一代测序技术的投入使用，基因组测序速度大大提高，全新的元基因组方法更是极大提高了人类所能接触的微生物范围。

　　肖昌松表示，越来越多的微生物将被全序列分析，运用“比较基因组”和“功能基因组学”技术阐明微生物生命活动的全貌将成为微生物学的重要发展趋势。

　　工业微生物技术升温

　　可以说，微生物在新兴的生物技术产业中已经捷足先登，特别是应用于工业生产中，为人类创造了巨大的财富。

　　现如今，微生物技术已经渗透到医药、农业、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域，特别是以酶工程研究为基础的酶制剂工业，已经表现出良好的发展势头。

　　数据显示，2004年，全国酶制剂产量为42万吨，到2008年已增加到61.5万吨，平均年增长率为10.1%。另外，新酶品种也在逐渐增加，虽然糖化酶、淀粉酶、蛋白酶仍保持较大份额，但植酸酶、饲用复合酶以及纤维素酶和木聚糖的酶产量都呈现出增长态势。

　　然而摆在眼前的是，虽然我国酶制剂工业取得了不小的成绩，但是与诺维信、杰能科等世界著名公司相比，仍然存在较大差距。

　　在肖昌松看来，我国目前工业酶制剂产品仍以传统低端酶种、单酶以及固体粗酶为主，缺少精致、高端的酶制剂品种。另外，由于技术、工艺和装备水平相对落后，基因工程技术、蛋白质工程技术开发的酶制剂工业化生产远未实现。

　　为此，肖昌松认为，新酶的发现是酶工程应用的物质基础，而自然界丰富多样的微生物则是最重要的酶来源。特别是利用极端环境微生物产生的性质稳定的酶，将成为未来新酶研究的主要领域。

　　值得一提的是，由于微生物具有独特和高效的生物转化能力及产生多样性代谢产物的能力，当前对重要微生物的基因组进行分析的工作正在活跃地开展。

　　“通过比较基因组学和生物信息学的集成，人类可以按照其意愿构建自然界并不存在的工业微生物，生产出所需要的物质。”肖昌松说。

　　另外，肖昌松表示，由于微生物发酵工程具有代谢产物种类多、原料来源广、能源消耗低、经济效益高和环境污染少等优点，未来有望取代高温、高压、能耗大和“三废”严重的化学工业。

　　进军极端微生物

　　如今，微生物资源的收集已经从传统陆地土壤采样开始向极端环境和海洋进军。

　　肖昌松提供的数据显示，在海洋微生物产品方面，已经从海洋微生物中分离鉴定出1000余个活性化合物，有20余种高活性化合物可作为药物先导化合物进行进一步的研究和开发，有近10个高活性、结构新颖的抗肿瘤、抗病毒、抗菌和免疫抑制活性的先导化合物具有良好的药用价值。

　　肖昌松表示，我国未来还将重点开展海洋微生物高密度发酵技术、海洋共生微生物的共培养与利用技术、深海与极端微生物研究与利用技术等研究工作，进一步开拓核糖体工程、元基因组学、组合生物合成等现代生物技术在海洋微生物开发利用中的应用。

　　而在环境微生物资源方面，新极端微生物类群的培养技术方面更是取得了较大的进展。据介绍，目前已测序的7株环境细菌中涵盖了嗜高温、耐低温、耐高压、嗜酸等各种极端微生物。

　　“目前，我们主要是在进行收集更多的微生物种群、建立适合的遗传操作系统、针对相关的种群进行DNA复制、基因表达调控的基础性研究。”肖昌松说。

　　肖昌松表示，未来还将开展更多极端微生物的基因组测序，同时建立新的生物技术手段，获得重要的微生物种群和基因资源库，进行重要产物的开发和利用。

　　《中国科学报》 (2012-09-04 B1 生物周刊)